不同加氣方式和灌水量對滴灌加工番茄耗水及生長的影響

張健利，王振華，陳瀟杰，王天宇，宗 睿，陳 睿

(1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子 832000)

水、肥、氣、熱作為保障土壤肥力的重要因素，對作物的生長發育至關重要，傳統的灌溉模式通常會忽略氣這一重要因素[1]。土壤通氣性不足會造成作物根區低氧脅迫，對作物生理生長帶來不利影響，進而引起作物減產[2]。近年以來，隨著農業機械化的迅速發展，由此帶來機械壓實的副作用也逐步顯現，機械壓實可導致土壤顆粒排列更為緊密，土壤孔隙度降低，通氣性和水分入滲率下降[3]，從而導致土壤固、液、氣三相比發生改變，進而影響作物生長[4]。膜下灌溉因封閉的邊界條件阻礙了周邊環境與膜下土壤的氣體交換,從而對土壤微生物活性和作物根系呼吸造成了一定的障礙[5]。較高的灌溉水平造成土壤水分過多，從而使土壤中氧氣的擴散速率下降[6]。長期低氧脅迫下根系有氧呼吸受阻，呼吸代謝緩慢，植物缺乏足夠的能量維持正常生長[7]。

為緩解因機械壓實以及薄膜覆蓋導致的土壤供氧不足的情況，增氧灌溉通過滴灌將富含氧氣的水氣混合物輸送至作物根區可有效緩解作物根區通氣性不良問題[8]，進而緩解因根系缺氧對作物造成生理生長、產量等方面的影響。該技術已在棉花[9]、番茄[10]等眾多作物上得到廣泛應用。Bhattarai等[2]通過對重黏土條件下的番茄進行通氣，結果表明，較不加氣處理，重黏土加氣處理下的番茄鮮質量增加了21%。Goorahoo等[11]通過文丘里管對辣椒進行加氣，與地下滴灌處理比較，加氣滴灌處理下辣椒產量提升了4.3%。肖衛華等[12]研究了化學加氧和機械加氧對煙草的影響，結果表明，兩種加氧方式均能促進煙草根系生長，提升煙葉產量。加氣灌溉作為一種綠色增產技術，可有效解決低氧脅迫問題，起到增產和改善品質的作用。其中，利用化學試劑加氣灌溉，該技術簡便、快捷，但局限性較強，運輸和儲存不便，且施用不當可能會對作物造成危害和改變土壤中生物的構成[1]。利用文丘里器進行加氣灌溉時，管道內出現水氣分布不均勻現象，且隨距離增加灌溉水中氣體含量下降[13]，但因其成本相對低廉，對作物無危害，是目前國際上應用較為廣泛的加氣技術。

以往研究主要集中于溫室大棚的研究[14]，在中國西北干旱地區，對于大田條件下不同加氣方式的研究較少。本文采用對比試驗，基于4個灌水水平和2種加氣方式，主要研究不同水氣組合模式對加工番茄耗水規律及生長特性的影響，以便找出適宜北疆滴灌加工番茄的最佳水氣組合模式，為當地水肥氣熱灌溉研究和實踐提供理論 參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年5-8月開展，試驗田位于新疆石河子市石河子大學試驗場農二連(85°59′45″E，44°19′26″N，海拔412 m)。年均降雨量、蒸發量分別為207 mm和1 660 mm。試驗田地下水埋深>8 m，土壤為中壤土，土壤物理粘粒(< 0.01 mm)含量>21%，80 cm土層內平均土壤體積質量為1.55 g·cm-3，田間持水量為18.65%(質量含水率)。2020年加工番茄種植期間氣象數據如圖1所示。

1.2 試驗材料

試驗于5月4日-8月22日進行，全生育期為110 d。試驗作物品種為加工番茄‘3166’，是當地常用品種。種植方式為一膜兩管四行，地膜采用寬為1.45 m的聚乙烯材質塑料地膜，2條以色列制造的耐特菲姆滴灌管，其間距0.85 m，滴灌管埋深15 cm，滴頭設計流量3.2 L·h-1，滴頭間距0.30 m。加工番茄株距0.4 m，行距0.35 m。試驗所用加氣施肥設備由蓄水池、1.5 m3水桶、水泵、回流管、Mazzei1078型文丘里管、旋翼式水表、壓力表、施肥罐和輸配水管道系統組成。

1.3 試驗設計與方法

根據當地生產實踐和其他學者研究[15]，確定加工番茄灌溉制度(表1)。試驗設4個灌水水平(W1:5 400 m3·hm-2，W2:4 950 m3·hm-2，W3:4 500 m3·hm-2，W4:4 050 m3·hm-2)和2種加氣方式(物理加氣O1、化學加氣O2)，以不加氣為對照(S)，共12個處理，每個處理重復3次，每處理下試驗小區面積為26.65 m2(13 m×2.05 m)。試驗設計如表2所示。依據加工番茄品種特性，施肥量定為：尿素250 kg·hm-2(N：46.4%)，氯化鉀150 kg·hm-2(K2O：57%)和磷酸一銨180 kg·hm-2(P2O5：60.5%)，各處理施肥量均一致。試驗區的打藥、除草等田間管理措施均保持一致。

表1 加工番茄生育期灌溉制度

表2 試驗設計

物理加氣方式為：利用文丘里管產生負壓差的原理，將空氣吸入管道內以水氣混合液的形式進行灌溉，當灌水壓力0.1 MPa時，該過程制成的摻氣水其摻氣比例約為15%，此時灌溉水中溶解氧濃度約15 mg·L-1[16]。化學加氣方式為：利用固體過碳酸鈉溶于水產生氧氣進行增氧，灌溉時將固體過碳酸鈉添加到裝有1.5 m3水的水桶中進行灌溉，水中溶解氧濃度用哈希水質監測儀HQ30D實時測定, 每隔10 min測定一次。經測定水桶中溶解氧濃度初始值為8.375 mg·L-1，加入過碳酸鈉后保證水中溶解氧濃度高于初始濃度的10%，使其溶解氧濃度保持在 9.256 mg·L-1以上，若不滿足條件，則停止灌水及時增氧。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 作物耗水量計算 采用農田水量平衡法[17]計算作物生育階段耗水量ET1-2，公式為：

式中:ET1-2為階段作物耗水量(mm)；n和i分別為土壤的層次總數和層次序數；γi和Hi分別為第i層土壤的干體積質量和厚度；Wi1和Wi2分別為第i層土壤在時段初和時段末的質量含水率(%)；M和P分別為時段內的灌水量和有效降雨量(mm)、K和C分別為時段內的地下水補給量和排水量(mm)(試驗田地下水埋深>8 m，故無地下水補給；本試驗采用滴灌，不會產生排水或者很小，忽略不計)。

1.4.2 土壤水分測定 采用土鉆取土烘干法測定加工番茄各生育期的土壤含水率，各處理于灌水前后2 d進行取土，取樣點位于滴灌帶下，取樣深度0～80 cm，每10 cm土層進行土樣采集。各處理3次重復求其平均值作為土壤質量含水率。

1.4.3 葉綠素含量測定 在加工番茄各個生育階段，各處理選取長勢相當的3個重復，于晴朗天氣11:00-13:00，利用 SPAD-502 葉綠素測定儀測定加工番茄頂部第2片完全展開葉的葉綠素 含量。

1.4.4 莖、葉干物質測定 在加工番茄果實收獲前每個處理選擇3株長勢均勻的植株，進行植株破壞，將地上部分的莖、葉分別稱取鮮質量，放入烘箱中于105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒量，用電子天平稱其干質量。

1.4.5 果實形態和單果質量測定 加工番茄成熟收獲期，每個處理選取6株植株秤其單株質量，每株植株再選取3顆長勢均勻的果實，用游標卡尺測其橫、縱徑，用精度為0.01 g的電子秤稱量單果質量。

1.5 數據分析

采用Excel 2016軟件進行數據整理，采用Origin 2019軟件作圖，應用Spss Statistics 26進行差異顯著性檢驗分析。

2 結果與分析

2.1 不同水氣處理對加工番茄耗水量和耗水模數的影響

表3為不同處理下不同階段加工番茄耗水量(ET)和耗水模數(EP)。由表可以看出，加工番茄耗水量在膨大一期最大，苗期次之，成熟期最低。相同灌溉方式下，加工番茄的耗水量均隨灌水量的增加而增大。以全生育期耗水量進行分析，W1灌溉水平下耗水量達到最大，W2、W3和W4水平較W1水平耗水量分別減少了6.45%、12.20%和18.34%；物理加氣條件下耗水量提升最明顯，物理加氣和化學加氣較不加氣處理耗水量分別增加13.65%和9.27%；水氣組合處理下，加工番茄耗水量增幅效果最大為W2O1處理，W2O1較W2S處理耗水量增大16.09%，最小為W4O2處理，W4O2較W4S處理耗水量增大 7.10%。加氣對不同生長階段耗水量提升幅度表現為：膨大期一期>膨大二期>花期>成熟期>苗期，且物理加氣效果優于化學加氣效果。在膨大一期、膨大二期、花期、成熟期和苗期，物理加氣較不加氣處理耗水量分別增加17.04%、16.47%、13.44%、11.73%和8.75%；而化學加氣較不加氣處理耗水量分別增加12.48%、11.80%、9.30%、7.30%和4.66%。

耗水模數是指作物某一生長階段耗水量占整個生育期耗水總量的百分比，反映了作物各生長階段對水分需求的敏感程度。由表3看出，不同水氣處理下加工番茄各生長階段耗水模數與耗水量變化規律相似。各處理耗水模數均在果實膨大一期達到最高水平，為25.51%～26.83%，平均為26.30%，說明該生長階段為加工番茄整個生育期內需水關鍵期；耗水模數第二次高峰出現在苗期，由于該生長階段持續時間較長，造成耗水模數較大，各處理耗水模數為20.61%～21.80%，平均為21.04%；在成熟期，因植株對水分需求量下降，耗水模數降低至最低水平，各處理耗水模數為15.71%～17.02%，平均為16.16%。

表3 不同水氣處理下加工番茄耗水量和耗水模數

由以上分析可知，加工番茄耗水量、耗水模數在膨大一期和苗期較大，應保證充足的灌水；加氣提高了加工番茄耗水量，且物理加氣效果優于化學加氣效果；加氣對膨大期耗水量的提升效果最明顯，而對成熟期和苗期耗水量的提升較低。

2.2 不同水氣處理對加工番茄土壤水分的影響

圖2為不同水氣處理條件下，0～80 cm土層土壤含水率變化趨勢。從圖中可以看出：相同加氣方式下，各生育階段各層土壤含水率隨灌水量的增大而增大。在加工番茄苗期至膨大期，各處理土壤含水率均隨土壤深度的增加整體呈先增大后減小趨勢。苗期和花期，根系吸水能力較弱且根系生長發育尚未完全，30～40 cm土層水分波動較小，含水率最大值分布在40～50 cm土層范圍內。膨大期是加工番茄需水最大時期，由于該時期根系生長旺盛且根系主要分布于30～40 cm土層，導致30～60 cm土層水分波動較大，含水率最大值分布在50～60 cm土層范圍內。成熟期由于氣溫下降土面蒸發減弱和地膜覆蓋作用導致表層0～10 cm含水率較高，且該階段加工番茄根系對土壤水分吸收能力減弱，各處理0～80 cm土層含水率分布較為均勻，含水率最大值分布在60～70 cm土層范圍內。

相較于不加氣處理，加氣灌溉使土壤水分含量不同程度降低。在苗期和花期，相較與不加氣處理，物理加氣使0～80 cm土層土壤平均含水率分別降低4.36%和5.55%；化學加氣使其分別降低3.29%和4.12%%。在膨大一期，根系吸水活動最強，含水率變化最明顯，物理加氣和化學加氣較不加氣處理0～80 cm平均含水率降低 6.38%和5.32%。在成熟期，物理加氣和化學加氣較不加氣處理0～80 cm平均含水率分別降低 5.02%和3.71%。

綜上，加氣處理降低了0～80 cm土層平均含水率，且物理加氣處理下0～80 cm土層平均含水率低于化學加氣處理，其中在膨大一期物理加氣處理下含水率降低變化最明顯。

2.3 不同水氣處理對加工番茄葉綠素含量的影響

由表4可以看出，全生育期內，葉綠素相對含量隨加工番茄的生長呈先增大后減小趨勢，在膨大期達到最大值。灌水和加氣(苗期除外)對葉綠素含量影響極顯著(P<0.01)，水氣交互作用僅對花期和膨大期影響顯著(P<0.05)。整個生育期，葉綠素含量在同一灌水量下表現為O1>O2>S。在膨大期，W2灌溉水平下葉綠素含量達到最大，W1、W3和W4水平較W2水平葉綠素含量分別減少9.75%、5.45%和17.22%。物理加氣較化學加氣更能提高加工番茄葉綠素含量，物理加氣和化學加氣較不加氣處理葉綠素含量分別提高5.75%和3.05%。同時，W2O1處理葉片葉綠素含量達到最大，較不加氣處理(W2S)葉綠素含量提升9.22%。

表4 不同水氣處理下加工番茄不同生育期葉綠素含量(SPAD值)

由以上分析可知，物理加氣對葉片葉綠素含量提升最顯著，W2灌溉水平下葉片葉綠素含量達到最大(苗期除外)，最大值為W2O1處理。

2.4 不同水氣處理對加工番茄干物質積累的 影響

由表5可以看出，不同水氣處理顯著影響成熟期加工番茄的干物質分配。物理加氣和化學加氣處理加工番茄莖、葉和地上干物質量均高于不加氣處理，且物理加氣處理下莖、葉和地上干物質量最大。對地上部干物質量進行分析，地上部干物質量隨灌水量的升高而升高，在W1水平下達到最大，W2、W3和W4水平較W1水平地上部干物質量分別下降3.10%、9.26%和14.56%。物理加氣和化學加氣較不加氣處理地上干物質量分別增加4.13%和2.05%。4個灌水水平下，W2水平物理加氣對地上干物質積累量提升幅度最大，W2O1較W2S處理地上部干物質量提升 6.45%。而低灌溉水平下(W4)，物理加氣對地上干物質積累量促進作用不明顯，W4O1與W4S無顯著性差異(P>0.05)。

表5 不同水氣處理下加工番茄干質量

由以上分析可知，物理加氣對地上干物質的積累最顯著；W1灌溉水平下地上干物質積累量達到最大，最大值為W1O1處理。加氣后對干物質積累量提升幅度大的水氣處理為W2O1處理。

2.5 不同水氣處理對加工番茄果實形態的影響

灌溉水平、加氣方式對加工番茄果實形態的影響見表6。灌溉水平和加氣方式對果實縱、橫徑、單果質量均有極顯著影響(P<0.01)。交互作用下，灌溉水平和加氣方式對果實縱、橫徑、單果質量有顯著影響(P<0.05)。隨灌水量增大，加工番茄的縱徑、橫徑、單果質量均呈先增大后減少趨勢，且均在W2水平下果實縱徑、橫徑、單果質量達到最大。W1、W3和W4水平較W2水平果實縱徑分別降低4.16%、1.54%和9.00%，果實橫徑分別降低5.65%、2.25%和12.33%，單果質量分別降低10.19%、5.41%和17.34%。與不加氣處理相比，物理加氣處理下果實縱徑、橫徑和單果質量分別提高2.46%、6.71%和6.71%，化學加氣處理下果實縱徑、橫徑和單果質量分別提高1.62%、2.15%和3.58%。低灌溉水平下(W4)，加氣對果實縱徑、橫徑和單果質量均無顯著性提高(P>0.05)。

由以上分析可知，物理加氣對加工番茄果實形態和單果質量的提升最明顯，W2灌溉水平加工番茄果實形態和單果質量達到最大，最大值為W2O1處理。

3 討 論

3.1 加氣和灌水量對加工番茄不同生長階段土壤水分和耗水量的影響

不同深度土壤含水率變化可以反映出植株根部對水分吸收的變化。本研究表明，在苗期，加氣處理對土壤含水率的影響最小，這是由于植株生長前期弱小，對氧的需求量較少，受土壤空氣的影響不明顯，根際氣體對植株的影響不占主導地位[18]；但通過對耗水量分析發現，在苗期各處理下的耗水量較大，這是因為在苗期階段持續時間較長，灌水次數少，造成在該生育階段耗水需求較大，因此在苗期應保證充足的灌水。隨生育期推進，灌水頻率增加，植株對氧氣的需求量加大，根際連續性缺氧對植株生長的影響越來越顯著[18]。在果實膨大一期，加氣處理對土壤含水率的影響最大，這是由于膨大期植株根系旺盛，加氣提高了根系的吸水能力，使其加氣處理下平均含水率明顯低于不加氣處理，這與劉杰等[19]研究結果相似，根區通氣會促進根系吸水, 根系吸水量就會相應增加, 水分利用效率就會提高；同時該階段各處理耗水量達到最大，這是因為該生長階段是作物需水關鍵期，生殖器官快速生長，對水分需求增大，故在該生長階段也需保證充足的灌水。在成熟期，加氣處理對土壤含水率的影響較小，這是由于該期植株根系活力下降，受土壤根際氣體的影響較小；同時該階段耗水量為整個生育期最小，說明在成熟期植株對水分的需求下降，因此在成熟期可適當減少水量的供應。縱觀各個生育階段，加氣灌溉處理下土壤平均含水率明顯低于不加氣灌溉處理，這與朱艷等[20]研究結果相似。通過對土壤水分和耗水量的分析，可優化調整不同水氣組合在不同生長階段的實施方案：(1)因加氣對膨大一期的土壤水分影響最大，花期和膨大二期次之，苗期和成熟期影響最小，故膨大一期應保證必要的加氣，苗期和成熟期可考慮不加氣。(2)在苗期和膨大期(一期、二期)需水較大，故應保證充足灌水，而成熟期可適當減少灌水量，本試驗W1灌溉水平在成熟期的灌水量可適當下調，并且通過對單果質量分析發現，W2灌溉水平下單果質量最大，因此本試驗W2灌溉水平可參考作為適宜北疆滴灌加工番茄的溉灌水量。

3.2 不同水氣處理對加工番生理生長的影響

葉綠素作為光合作用的重要元素，其含量的高低將影響作物對光能的吸收和轉化，從而影響葉片的光合作用，進而制約作物干物質的積累和產量的形成[21]。Drew等[22]研究表明缺氧會導致根系線粒體進行糖酵解而不產生ATP，進而造成缺氧癥。植株根部缺氧嚴重時，反映到個體水平上，則是生長形態的變化，研究表明，低氧脅迫會導致植物生長緩慢，植株矮小，葉片過早衰老，生物量降低等[23]，而通氣增氧可以有效改善這一狀況。本研究表明，加氣因素對苗期葉綠素含量無顯著影響，可能是由于苗期根系沒有完全發育，對氧的需求量較少，植株生長受土壤空氣的影響不顯著[19]。自花期開始，隨灌水頻率的增加和根系的生長，根系對缺氧的敏感程度增大，在膨大期加氣處理對葉綠素的提升最為明顯，這與盧澤華等[10]研究結果相似，即苗期加氣處理對番茄生長生理影響較小，對后期加氣處理的影響較大，且水氣交互因素在花期和膨大期影響顯著，故在植株生長花期和膨大期應保持良好的土壤通氣性。本研究結果表明，W1水平與物理加氣組合處理下干物質積累量達到最大，但果實形態和單果質量并非最大，說明高灌溉水平下物理加氣造成植株營養生長過旺、植株徒長，導致果實形態和單果質量下降。W2灌溉水平與物理加氣組合處理下，既避免了因水氣過多造成的植株徒長，也使果實形態和單果質量達到了最大，說明物理加氣條件下，適量減少灌溉定額是可行的灌溉方案。

3.3 不同加氣方式效果的探討

本試驗中，不同加氣方式對加工番茄耗水、土壤水分及生長的影響不同，可能有以下原因：(1)化學試劑過碳酸鈉產生的鈉離子可能對根系造成脅迫使其吸水能力下降，即隨著土壤中鹽堿濃度的增加會導致作物根系發生傷流，大量的氨基酸類、無機離子以及植物激素類從植物根部流失，進而影響根系的生理代謝，使植物吸收水分受到影響[24]，最終造成植株生長生理等方面的差異。(2)不同加氣方式造成的加氣量不同，物理加氣具有穩定、持續的加氣的效果，文丘里器吸入的氧氣量較為均勻，而化學加氣采用人工定時加入化學試劑，穩定性、持續性不易保證且灌溉水中溶解氧濃度小于物理加氣水中溶解氧濃度，故物理加氣效果優于化學加氣效果，最終造成各方面影響有所不同。因此，若保證相同的加氣量，試驗結果是否產生差異，仍需要進一步探究。

4 結 論

加氣提高了加工番茄耗水量，各生長階段耗水量提升幅度表現為：膨大一期>膨大二期>花期>成熟期>苗期，加氣降低0～80 cm土層平均土壤含水率。物理加氣相比化學加氣增加了耗水量，降低了土壤含水率，提高了加工番茄葉片葉綠素含量、地上干物質量和果實形態及單果質量。W1灌溉水平下，加工番茄耗水量和地上干物質量最大，W2灌溉水平下，加工番茄葉片葉綠素含量、果實形態和單果質量最大。

綜上，合理的水氣組合模式既能避免水分過多造成的植株徒長，也可使產量達到最大，因此，基于新疆干旱少雨，4 950 m3·hm-2灌溉水平與物理加氣是本試驗較為適宜的水氣組合模式，可為北疆滴灌加工番茄加氣灌溉實際應用提供理論依據。